JP5717751B2 - 真空ポンプ用の耐腐食性軸シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプに関し、具体的には、真空ポンプにおける軸シール装置の改善に関する。

真空ポンプは、工業プロセスにおいて、半導体デバイス、フラットパネルディスプレイ、及びソーラーパネルを含む製品製造のための清浄な及び／又は低圧の環境を提供するために広く用いられている。化学気相堆積法又はエッチングなどのプロセス中には、プロセスチャンバにプロセスガスが供給される。その後、使われなかったいずれかのプロセスガスは、真空ポンプを用いて、プロセスチャンバから送出される。これらのガスは、ポンプの部品に対して腐食性又は他の形で有害であり、腐食、摩耗の増大、又は寿命の短縮を生じさせる。

真空ポンプのハウジングは、ポンプの使用中に駆動軸とロータが中で回転するステータを提供する。ステータは、ガス吸入口とガス出口とを有するポンプチャンバを備え、使用中には、ロータ又は複数のロータが回転して吸入口の比較的低圧のガスを捕捉し、回転中にこれを圧縮して、比較的高圧で出口で排出する。幾つかの構成において、ステータは、複数のポンプチャンバを直列又は並列に提供することができる。

単段ポンプの場合、駆動軸は、ポンプチャンバの一方の軸方向側部においてポンプチャンバからモータ及びギア組立体を隔てる横方向壁内の軸ボアを通って延びる。多段ポンプの場合、横方向壁は、ポンプチャンバの間にも延びることがある。モータ及びギア組立体に隣接する横方向壁は、典型的にはヘッドプレートと呼ばれる。軸シール装置は、ポンプチャンバからのガスの通過を防止する又はこれに抵抗するために、軸と横方向壁の間の軸ボアをシールするために設けられる。このタイプのポンプはルーツポンプ又はクローポンプであることが多い。

図１は、例えばルーツポンプにおける軸シール装置１０の最新の構成を示す。真空ポンプの軸２は、ヘッドプレート６において軸ボアを貫通する。ロータ４は、ヘッドプレート６の後ろのポンプチャンバにおいて軸２により支持され回転する。ロータ４の後面とヘッドプレート６の前面の間には、軸方向の狭い間隙が存在する。高圧領域３から低圧領域１への漏れを少なくするために、軸方向の間隙は可能な限り小さくすることが好ましいが、実際には、製造公差により及び使用中のロータ及びヘッドプレートの熱膨張を可能にするため、軸方向の間隙のサイズを小さくすることには限度がある。シール装置は、軸ボアに設けられ、ヘッドプレートから延び、内部バイアスにより軸に押し付けられて軸２とヘッドプレート６の間の隙間をシールするように適合されたリップ１６を含む。

ロータ４が回転すると、吸入口の低圧領域１から、出口つまり排出口の高圧領域３に流体を吸引する。ロータとヘッドプレートの間の軸方向の間隙は小さいものの、ガスは高圧側から低圧側に漏れる。この点に関して、矢印５により示される軸方向の間隙を通って漏れるガスは、軸ボアに入る。一部のガスは軸の周囲を回って（湾曲した矢印により示される）、そのまま矢印７により示される軸方向の間隙を通り抜ける。軸ボアに入る他のガスが、軸ボアを出る前に、シールリップ１６に接触する場合もある。ガスが腐食性であれば、シールリップ１６を腐食する。リップ１６と軸の間を通過するシールパージ９の導入により、プロセスガスをある程度希釈できるが、希釈の効果は最小限である。図１において、矢印５はプロセスガスの戻り漏れを表し、一方、矢印７は戻り漏れとシールパージ流れの混合したものを表す。

既知の真空ポンプシステムを通じて空気を送出する場合、シールリップにおける酸素濃度は、典型的な窒素パージでは殆ど影響を受けないことが、試験により示されている。通常実施される程度を超えてパージ流を増加させても、ヘッドプレートと軸の間の空間で測定されるＯ₂濃度は半分にしかならない。この結果をフッ素などの腐食性のプロセスガスに適用すると、窒素パージの増加は、フッ素濃度を下げることによりシール寿命が延ばすと結論されるであろう。しかしながら、シールリップの腐食が顕著なレベルでなくなることはないであろう。従って、不要な腐食性ガスのレベルを下げるためには、著しく大量のパージガスが必要となると推測することもできる。これはポンプの運転コストを上昇させる。

従って、シール装置は、腐食性ガスを送出する際に化学的腐食による悪影響を受け、定期的に交換する必要があり、ポンプの休止時間を発生させ、所有者のコストが嵩む。

窒素軸シールパージシステムの有効性を高めることより、窒素軸シールパージ流量を著しく増やす必要なしに、より良好なシールリップ保護を提供することが望ましい。

本発明によると、プロセスチャンバからガスを送出するための真空ポンプが提供され、ポンプは、ポンプチャンバにおいて駆動軸により回転するために支持されたロータを含み、軸は、駆動軸に対して横方向に延びるポンプチャンバの壁において軸ボアを貫通して延び、及び該軸ボアを通るガスの通過に抵抗するために、軸と横方向壁との間に設けられたシール装置を含み、ロータが回転すると、ガスは、ポンプチャンバの吸入口の低圧領域からポンプチャンバの出口の高圧領域に送出され、ロータと横方向壁とは、ガスの戻り漏れが高圧領域から低圧領域に流れることができる軸方向の間隙により離間され、及び戻り漏れのための付加的な漏出経路がシール装置から間隔を空けて形成され、ガスは、これに沿ってシール装置に接触することなく流れることができるので、ポンプの使用中にシール装置に接触するガスの量を低減できる。

ポンプチャンバの高圧側からポンプチャンバの低圧側への漏出経路を設けることにより、窒素の流れを大幅に増やす必要なしに、シールの寿命を延ばすことができる。追加の部品も必要ない。所有者のコスト又は製造コストの上昇を最小限にして寿命を長くすることは、著しく有利である。
更なる有利な点は、本発明が、多くの既存のポンプに後付けできることである。

本発明がより明確に理解されるように、一例としてのみ与えられる添付の図面を参照する。

軸シール装置の最新の構成の概略図である。 真空ポンプの概略図である。 改良された軸シール装置の構成の概略図である。

図２を参照すると、プロセスチャンバ（図示せず）からガスを送出するための真空ポンプ２０が示される。ポンプ２０は、長時間の接触によりポンプのシール装置を腐食する腐食性ガスを送出するように構成される。また、ポンプは、シールリップを腐食しないが、これに損傷を与えてシール装置の使用寿命を制限する、ガスを送出することができる。

この例では、ポンプはルーツポンプであり、複数のポンプ段２２、２４、２６を含む。ポンプ２０は、ポンプチャンバ３６、３８、４０内で回転するために、それぞれの駆動軸３２、３４によって支持された、各ポンプ段に対する２つのロータ２８、３０を含む。ポンプチャンバは壁４２、４４、４６、４８と、ポンプの外側ハウジング５０とにより定められる。軸は、ポンプチャンバの各々の横方向壁において軸ボア５２、５４、５６、５８を通って延びる。横方向壁４２、４８は、ヘッドプレートである。ヘッドプレート４８は最高圧段２６にあり、モータ６０及びギア組立体６２をポンプチャンバ４０から離間する。ベアリング６４は回転のために軸を支持する。図２は複数のポンプ段を含むポンプを示すが、本発明は単段ポンプにも適用可能である。

図３は、図２に示された領域ＩＩＩの拡大概略図を示す。本発明は、横方向壁と軸３２の装置に対しても同様に適用可能であることが認識されるであろう。図３に示されるように、図３の右側に、軸ボアを通るガスの通過に抵抗するために、軸３４と横方向壁４８との間にシール装置１６が設けられる。ロータ３０が回転すると、ガスは、ポンプチャンバ４０の吸入口の低圧領域１から、ポンプチャンバの出口の高圧領域３に送出される。

ロータ３０及び横方向壁４８は、軸方向の間隙により離間され、これに沿ってガスの戻り漏れが高圧領域３から低圧領域１に流れることができる。１つ又は複数の漏出経路８、１０、１２、１４が形成され、ガスは、これらに沿ってシール装置に接触することなく流れることができ、ポンプの使用中にシール装置に接触するガスの量が低減される。

図３に示されるように、シール装置は、横方向壁４８から延び、内部バイアスにより軸３４に押し付けられる、弾性シールリップ１６を含む。

漏出経路はシールリップから離間され、ガスがシールリップの方向に流れる場合、少なくともガスの幾らかは異なる経路に沿って付勢されるためシールリップに接触せず腐食させないことが認識されるであろう。このように、シールリップに接触するガスの量が低減される。

漏出経路は、シール装置に接触するガスの流路に対して優先的流路を提供することが好ましい。すなわち、ガスは、１つ又は複数の漏出経路がないと、通常、シール装置と接触するように流れるのに対し、漏出経路の存在は、ガスに対してシール装置から離れた優先的経路を与える。

漏出経路は、ロータの軸方向端面、横方向壁の軸方向端面、軸ボア、又は軸のうちの１つ又は複数に形成することができる。漏出経路は、示されるような環状とすることができる溝、又は、部品の１つを貫通するボアを含むことができる。

例えば、戻り漏れの際、ガスは、矢印５により示されるように、最初に軸方向の間隙に沿って流れる。ガスがロータの軸方向端面の環状溝１０に到達すると、環状溝１０が流れに対して与える抵抗は、比較的狭い軸方向の間隙よりも少ない。さらに、軸方向の溝に沿った圧力と軸ボア内との差圧に比べて、環状溝の高圧部分と低圧部分との間には、より大きな差圧が存在する場合がある。この点に関しては、以下でより詳細に説明されるように、軸ボアにはパージガスが注入され、軸ボア圧力を増加させることに留意されたい。従って、軸ボアに流れ込むよりも多くのガスが、環状溝１０を通って流れる（矢印１７により示される）。ヘッドプレート４８の軸方向端面における環状溝８は、同様の機能を与える。

漏出経路が、ロータの軸方向端面又は横方向壁の軸方向端面の一方又は両方に形成されると、漏出経路は軸ボアを迂回する。このように、漏出経路は、軸ボアに入るプロセスガスの量を低減し、従って、シール装置に接触する可能性をさらに低減する。

更なる一例として、上記に示されたように、ガスは矢印５で示されるように、最初に軸方向の間隙に沿って流れる。ガスが軸の外面の環状溝１２に到達すると、流れに対して環状溝１０により与えられる抵抗は、軸とヘッドプレートの間の比較的狭い軸方向の間隙に沿ってそのまま進むよりも少ない。この点に関して、図面では半径方向の間隙が強調されているが、典型的には１ｍｍ未満であることに留意されたい。軸ボアの異なる部分に沿った差圧よりも、環状溝１２の高圧部分と低圧部分との間の差圧の方が大きい場合があることにも留意されたい。この点に関して、以下でより詳細に説明されるように、軸ボアにはパージガスが注入され、軸ボア内の圧力はシールリップ近辺で最大となることにも留意されたい。従って、シールリップに向かって流れるよりも、環状溝１２を通って流れるガスの方が多い。ヘッドプレート４８の内面の環状溝１４は、同様の機能を与える。

駆動軸自体に、又は駆動軸の周囲に配置され固定されたカラーに、駆動軸の環状溝を形成することができる。ロータ自体に、又は軸の周囲に配置されロータに対して固定されたプレートに、ロータの環状溝を形成することができる。

軸ボアの周囲に漏出経路（ヘッドプレートの面における環状溝など）を導入することにより、戻り漏れに対して、シール装置への経路よりも優先的に通る、より制約の少ない経路が与えられる。新たな又は付加的な漏出経路は、以下の少なくとも１つ、又はその組み合わせの形態をとることができる。ヘッドプレート４８の垂直面の１つ又は複数の溝８、ロータ３０の面の１つ又は複数の溝１０、軸３２の１つ又は複数の溝１２、軸ボアの１つ又は複数の溝１４である。しかしながら、本発明は１つより多くの漏出経路を必要としないことを理解されたい。本発明の性能に対して、必ずしも図２に示された経路の全てが必要なわけではない。便宜上１つの図面に図示されているだけである。

追加の漏出経路の主要な機能は、ロータ３０との後面とヘッドプレート４８の前面との間の既存の漏れ経路と比較して、ガス流に対する同等の、又は低減した抵抗をもつ漏れ経路を形成することである。

ポンプは、プロセスガスとシール装置との接触を低減するために、軸ボアからシール装置にわたって、例えば窒素などのパージガス９を送給するための手段を含む。

パージと複数の漏出経路との組み合わせは有利であることがわかっている。軸シール位置における酸素濃度を試験するために、ポンプに１００ｓｌｍの空気を通すことにより、実験を行った。これによりフッ素を使用した場合に存在する相対濃度と等しくなるはずである。各構成につき、通常のパージ流量と、増加されたパージ流量の２つの軸シールパージ流量が用いられた。３つの構成、即ち、ａ）漏出経路なし、ｂ）軸上（軸上に取り付けられたリング・シール上）に漏出経路を１つ形成、及びｃ）ロータ軸上に１つ、ロータの後面上に１つの２つの漏出経路の組み合わせ、を試験した。結果を表１に示す。

以上のように、シールパージガス流量の増加と併せて用いると、軸周囲の１つの漏出経路を用いることにより、シールにおける酸素の分圧は７５％減少した。２つの漏出経路を用いることにより、シールにおける酸素の分圧は９９％減少した。

本発明は、戻り漏れをシール面にわたって流れるままにするのではなく、シール面の周りに逸らすために、軸ボアの周囲に漏れ経路を意図的に導入する。本発明は、多数の既存のポンプに後付けすることができる。

当業者であれば、本発明は、あらゆる容積型ポンプに適用できることを、理解するであろう。

上記では、本発明の好ましい実施形態について説明した。特許請求の範囲において記載される本発明の範囲から逸脱することなく、変更又は修正を為すことができることを、当業者であれば理解するであろう。

１：低圧領域
２、３２、３４：駆動軸
３：高圧領域
４、２８、３０：ロータ
５、７、１７：矢印
６、４２、４８：ヘッドプレート
８、１０、１２、１４：ガスの漏出経路
９：パージガス
１６：リップ
２０：真空ポンプ
２２、２４、２６：ポンプ段
３６、３８、４０：ポンプチャンバ
４４、４６：壁
５０：外側ハウジング
５２、５４、５６、５８：軸ボア
６０：モータ
６２：ギア組立体
６４：ベアリング

Claims (11)

1. プロセスチャンバから腐食性ガスを送出するための真空ポンプであって、前記ポンプは、
   駆動軸に対して横方向に延びるポンプチャンバの壁内の軸ボアを通って延びる駆動軸により、ポンプチャンバ内で回転するために支持されるロータと、
   腐食性ガスによって腐食する材料で形成され、前記軸ボアを通る腐食性ガスの通過に抵抗するための、前記軸と前記横方向壁との間に設けられたシール装置と、を備え、
   前記ロータが回転すると、腐食性ガスは前記ポンプチャンバの吸入口の低圧領域から前記ポンプチャンバの出口の高圧領域に送出され、
   前記ロータと前記横方向壁とは、軸方向の間隙により隔てられ、この間隙に沿って、腐食性ガスの戻り漏れが前記高圧領域から前記低圧領域に流れることができ、さらに前記シール装置から離れて、戻り漏れのための付加的な漏出経路が形成され、腐食性ガスは、前記ポンプの使用中に前記シール装置に接触する腐食性ガスの量が低減されるように、この漏出経路に沿って前記シール装置に接触することなく流れることができることを特徴とするポンプ。
2. 前記漏出経路は、腐食性ガスが前記シール装置に接触する流路より優先的流路を提供する、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記漏出経路は、前記ロータの軸方向端面、前記横方向壁の軸方向端面、前記軸ボア、又は前記軸のうちの１つ又は複数に形成されている、請求項１に記載のポンプ。
4. 前記漏出経路は、前記ロータの軸方向端面又は前記横方向壁の軸方向端面の一方又は両方に形成されて、前記軸ボアを迂回する、請求項１に記載のポンプ。
5. 前記漏出経路は少なくとも１つの溝の形を取る、請求項１に記載のポンプ。
6. 腐食性ガスと前記シール装置との接触を低減するために、パージガスを、前記軸ボアを通り前記シール装置にわたって送給するための手段を備える、請求項１に記載のポンプ。
7. 前記パージガスは窒素である、請求項６に記載のポンプ。
8. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて用いるための真空ポンプ・ロータであって、前記ロータは、モータの駆動軸を受け入れるための軸ボアを含み、それにより前記ロータは前記駆動軸により駆動することができ、前記ロータは、腐食性ガスとシール装置との接触を低減するために、前記シール装置が配置されている前記ポンプの前記軸ボアの周囲に腐食性ガスの戻り漏れを方向付けるための環状の溝を前記軸ボアの周囲に含むことを特徴とする真空ポンプ・ロータ。
9. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて用いるための真空ポンプ軸であって、前記軸はその外周のまわりに延びる環状溝を含み、それにより前記軸がポンプチャンバの一方の軸方向側部のポンプ横方向壁において軸ボアを通って延びるとき、前記環状溝は前記軸ボア内に配置され、それにより、使用中に、前記環状溝は前記ポンプチャンバの高圧領域から低圧領域への腐食性ガスの漏出経路を形成し、前記漏出経路は、前記横方向壁と前記軸との間のシールのために、前記軸ボアに配置されたシール装置から離れる方向へ腐食性ガスを方向付けることを特徴とする真空ポンプ軸。
10. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて用いるための横方向壁であって、前記横方向壁はポンプチャンバの一方の軸方向側部のポンプ内に配置され、駆動軸が中を通って延びることができる軸ボアと、前記ポンプチャンバの高圧領域から低圧領域への腐食性ガスの漏出経路を形成するための環状溝とを含み、前記漏出経路は、前記横方向壁と前記軸との間のシールのために、前記軸ボアに配置されたシール装置から離れる方向へ腐食性ガスを方向付けることを特徴とする横方向壁。
11. 前記環状溝は、前記横方向壁の軸方向側面上に形成され、前記環状溝に沿って通過する腐食性ガスは前記軸ボアを迂回することを特徴とする、請求項１０に記載の横方向壁。

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